TWI522648B - 螢光劑裝置及其所適用之光源系統 - Google Patents
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Description
本案係關於一種螢光劑裝置，尤指一種透過多個色帶區域組合以達到提高出光效率及光色多樣性之螢光劑裝置及其所適用之光源系統。
近年來，各式各樣的投影設備，例如投影機(Projector)已被廣泛地應用於家庭、學校或者各種商務場合中，以用於將一影像訊號源所提供之影像訊號放大顯示於屏幕。為節省電力消耗以及縮小裝置體積，目前的投影設備之光源系統(Illumination System)已使用固態發光元件，例如發光二極體或雷射元件，來取代傳統的高密度氣體放電燈(HID Lamp)或高壓汞燈。
投影設備之光源系統需能發出紅光、綠光、藍光(R、G、B)等三原色光，然而固態發光元件之發光效率一般而言為藍光固態發光元件之發光效率最佳，因此目前的作法大多採用藍光固態發光元件配合波長轉換裝置，以將藍光之波長進行轉換，例如配合螢光劑色輪(Phosphor Wheel)或螢光劑色板(Phosphor Plate)來激發出各種顏色的
光，藉此取代紅光固態發光元件或綠光固態發光元件直接發出紅光或綠光的方式，以提升光源系統整體的發光效率。
一般而言，傳統的投影設備之光源系統大致可分為二種類型，其一係採用多個藍光固態發光元件配合多個單一區段之螢光劑色輪，其二係採用單一藍光固態發光元件配合具有複數個區段之單一螢光劑色輪。請參閱第1A圖及第1B圖，其係分別為具有單一區段之傳統螢光劑色輪之結構示意圖以及具有複數區段之傳統螢光劑色輪之結構示意圖。如第1A圖所示，具有單一區段之傳統螢光劑色輪10係於單一區段101，通常對應之圓心角角度為360度，即整圈之螢光劑色輪10，皆塗佈單一種類之螢光劑，且該螢光劑係由一種以上之螢光粉單獨(即單粉螢光劑)或混合(即混粉螢光劑)而成。其次，如第1B圖顯示之具有複數區段之傳統螢光劑色輪11，較常見係以具有三個或四個區段為主，例如第一區段111、第二區段112、第三區段113及第四區段114，並分別於第一區段111、第二區段112、第三區段113及第四區段114上分別塗佈紅色螢光劑、綠色螢光劑、藍色螢光劑及黃色螢光劑等，且各色螢光劑亦為一種以上之螢光粉單獨或混合而成。
為使螢光劑色輪出光之多樣化，往往係應用兩種以上之螢光粉混合而製成混粉螢光劑，以調整出光特徵，例如：添加紅色螢光粉使色系較偏暖色，或添加主波長為555奈米(Nanometer,nm)之高亮度螢光粉以提高出光流明值等。然而，因各種類之螢光粉係由製造商自行製造，其成份難以明確得知，使得混合調製螢光劑之難度相對較
高，且其主要構成材料不同，常常引發級聯效應(Cascade effect)，亦即低能階螢光粉(長波長螢光材料)會吸收鄰近高能階螢光粉，進而導致整體出光效率降低。舉例而言，業界常見之黃色螢光粉及紅色螢光粉混合製成之螢光劑，由於黃光部分於波長510奈米至580奈米之範圍係部分受紅色螢光粉吸收，而使總出光頻譜面積(即出光能量)低於黃色螢光粉及紅色螢光粉混合之頻譜面積理論值約14%。是以，透過習知技術手段進行螢光粉之混合，皆會因級聯效應導致出光效率無法達到預期之理論數值，不僅有發光效率不佳的問題，更會造成色彩飽和度不足或色偏現象，進而使得光源系統之色彩表現無法符合工業上制定之標準色域，如高畫質電視(High Definition Television,HDTV)之Rec.709標準色域，即國際電信聯盟無線通信部門BT.709建議(ITU-R Recommendation BT.709，或稱Rec.709)。
因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失，避免級聯效應、提昇並兼顧色彩飽和度及亮度且減低製造難度之螢光劑裝置及其所適用之光源系統，實為目前尚待解決之問題。
本案之主要目的為提供一種螢光劑裝置及其所適用之光源系統，俾解決傳統螢光劑裝置因螢光粉混合之製造難度較高，以及級聯效應導致出光效率不佳、色彩飽和度不足以及色偏現象等缺點。
本案之另一目的為提供一種螢光劑裝置及其所適用之光源系統，透過每一區段包括兩個以上次區段之設計，可有效避免級聯效應並提高轉換之出光效率及光色多樣性，同時達到提高出射色光之色彩飽和度及亮度等功效。
本案之另一目的為提供一種螢光劑裝置及其所適用之光源系統，藉由將兩種以上之單粉螢光劑分別塗佈於不同之次區段，可忽略螢光粉混合因素並簡化製程，進而達到降低製造難度及製造成本等功效。
為達上述目的，本案之一較廣實施態樣為提供一種螢光劑裝置，適用於發出一第一波段光之一光源系統，該螢光劑裝置至少包括：一第一區段，包括n個次區段，其中n≧2；以及n個單粉螢光劑，分別塗佈於該n個次區段，以分別轉換該第一波段光為n個波段光，其中該n個波段光係包括第二波段光、第三波段光、…以及第n+1波段光；其中，該n個次區段係具有一特定面積比例，該第一波段光係因應該特定面積比例以一特定時間比例循環轉換為該第二波段光、該第三波段光、…以及該第n+1波段光，俾以該特定時間比例分時出射之該n個波段光整合為一特定色光。
為達上述目的，本案之另一較廣實施態樣為提供一種光源系統，至少包括：一固態發光元件，係架構於發出一第一波段光至一光路徑；一螢光劑裝置，設置於該光路徑上，至少包括：一第一區段，包括n個次區段，其中n≧2；以及n個單粉螢光劑，分別塗佈於該n個次區段，以分別轉換該第一波段光為n個波段光，其中該n個波段
光係包括第二波段光、第三波段光、…以及第n+1波段光；其中，該n個次區段係具有一特定面積比例，該第一波段光係因應該特定面積比例以一特定時間比例循環轉換為該第二波段光、該第三波段光、…以及該第n+1波段光，俾以該特定時間比例分時出射之該n個波段光整合為一特定色光。
10‧‧‧傳統螢光劑色輪
101‧‧‧區段
11‧‧‧傳統螢光劑色輪
111‧‧‧第一區段
112‧‧‧第二區段
113‧‧‧第三區段
114‧‧‧第四區段
2‧‧‧光源系統
21‧‧‧固態發光元件
22‧‧‧螢光劑裝置
220‧‧‧第一區段
2201‧‧‧第一次區段
2202‧‧‧第二次區段
221‧‧‧第一單粉螢光劑
222‧‧‧第二單粉螢光劑
223‧‧‧第二區段
2231‧‧‧第三次區段
2232‧‧‧第四次區段
224‧‧‧第三單粉螢光劑
225‧‧‧第四單粉螢光劑
226‧‧‧第三區段
227‧‧‧透光材料
L1‧‧‧第一波段光
L2‧‧‧第二波段光
L3‧‧‧第三波段光
第1A圖係為具有單一區段之傳統螢光劑色輪之結構示意圖。
第1B圖係為具有複數區段之傳統螢光劑色輪之結構示意圖。
第2圖係為本案較佳實施例之光源系統架構圖。
第3A圖係為本案較佳實施例之螢光劑裝置結構示意圖。
第3B圖係為本案另一較佳實施例之螢光劑裝置結構示意圖。
第4圖係為本案另一實施例之螢光劑裝置結構示意圖。
第5圖係為本案另一較佳實施例之螢光劑裝置結構示意圖。
第6A圖係為透過本案螢光劑裝置轉換出射之特定色光及傳統混粉方式產生之色光之強度-波長對應圖。
第6B圖係為透過本案螢光劑裝置轉換出射之特定色光及傳統混粉方式產生之色光之亮度-波長對應圖。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不
脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。
請參閱第2圖、第3A圖及第3B圖，其中第2圖係為本案較佳實施例之光源系統架構圖，第3A圖係為本案較佳實施例之螢光劑裝置結構示意圖，以及第3B圖係為本案另一較佳實施例之螢光劑裝置結構示意圖。如第2圖、第3A圖及第3B圖所示，本案之光源系統2係應用於投影機，例如雷射投影機、三維影像投影機或實物投影機等，且至少包括固態發光元件21及螢光劑裝置22。固態發光元件21係可為例如但不限於雷射元件或二極體，並以藍光雷射元件或藍光二極體為較佳，架構於發出第一波段光L1至光路徑。螢光劑裝置22設置於該光路徑上，且包括第一區段220及n個單粉螢光劑，其中第一區段220係包括n個次區段，n為正整數且n≧2，且n個單粉螢光劑係分別塗佈於n個次區段，以分別轉換第一波段光L1為波長不同之n個波段光，其中n個波段光係包括第二波段光、第三波段光、...以及第n+1波段光。於此實施例中，當n=2時，n個單粉螢光劑係為第一單粉螢光劑221及第二單粉螢光劑222，且第一區段220之n個次區段係為第一次區段2201及第二次區段2202，第一單粉螢光劑221係塗佈於第一次區段2201，以轉換第一波段光L1為第二波段光L2，以及第二單粉螢光劑222係塗佈於第二次區段2202，以轉換第一波段光L1為第三波段光L3。其中，n個次區段係具有特定面積比例，第一波段光L1係因應該特定面積比例配合螢光劑裝置22之定速轉動而以特定時間比例循環轉換為第二波
段光L2、第三波段光L3、...以及第n+1波段光，俾以該特定時間比例分時(Sequentially)出射之n個波段光整合為一特定色光。
由於本實施例係以n=2為例，故第一波段光L1係根據特定時間比例循環轉換為第二波段光L2及第三波段光L3，並以該特定時間比例分時出射之第二波段光L2及第三波段光L3整合為特定色光，例如紅光、黃光或紅黃光，但不以此為限。藉由將兩種以上之單粉螢光劑分別塗佈於不同之次區段，可忽略螢光粉混合因素並簡化製程，進而達到降低製造難度及製造成本等功效。
於一些實施例中，本案螢光劑裝置22之第一區段220之第一次區段2201及第二次區段2202之特定面積比例係可依需求調整、設計，並以特定面積比例為1比5為較佳，如第3A圖，亦即當螢光劑裝置22係為圓形之螢光劑色輪時，第一次區段2201所對應之圓心角係為60度，且第二次區段2202所對應之圓心角係為300度。當然，第一次區段2201及第二次區段2202之特定面積比例亦可為1比1，如第3B圖，亦即所對應之圓心角各為180度角，或依光機設計調整為其他幾何形狀或其他配比之面積或角度，然皆不以此為限。
請再參閱第3A圖，由於本案之螢光劑裝置22之第一區段220係包括至少兩個次區段並塗佈兩種以上之單粉螢光劑，以取代傳統螢光劑裝置於單一區段上塗佈混粉螢光劑。舉例而言，本案之螢光劑裝置22若欲激發產生紅黃光，可將紅黃光激發區段設計為本案之第一區段220，並以第一次區段2201塗佈之第一單粉螢光劑221為重量百分比濃度50wt%之紅色單粉螢光劑，且第二次區段2202塗佈之
第二螢光劑222為重量百分比濃度50wt%之黃色單粉螢光劑，再行對特定面積比例進行設計、配比。為增加出光流明，第一次區段2201及第二次區段2202之特定面積比例係以面積比1比5為較佳，亦即塗佈之紅色單粉螢光劑及黃色單粉螢光劑之重量百分比比例係為1比5，且配合螢光劑裝置22之定速轉動之特定時間比例亦為1比5，藉此產生之紅光亮度可達176.37流明/瓦(lm/W)。相較於傳統螢光劑裝置之紅黃光激發區段所產生之紅光亮度僅為140.57流明/瓦(lm/W)，提升幅度高達25%。簡言之，傳統螢光劑裝置係以總和50wt%之混粉螢光劑塗佈於單一區段上，且該混粉螢光劑係以41.67wt%之黃色單粉螢光劑及8.33wt%之紅色單粉螢光劑混合而成，由於紅色單粉螢光劑之重量百分比濃度僅有8.33wt%且黃色單粉螢光劑之重量百分比濃度僅有41.67wt%，故傳統螢光劑裝置之發光效率自然遠不及本案之螢光劑裝置22。此外，由於本案之螢光劑裝置22並未透過混合螢光粉之方式塗佈於單一區段，而係透過每一區段包括兩個以上次區段之設計分別塗佈第一單粉螢光劑及第二單粉螢光劑，可有效避免級聯效應並提高轉換之出光效率及光色多樣性，同時達到提高出射色光之色彩飽和度及亮度等功效。
請參閱第4圖，其係為本案另一實施例之螢光劑裝置結構示意圖。如第4圖所示，本案之螢光劑裝置22係可進一步包括第二區段223、第三單粉螢光劑224及第四單粉螢光劑225。其中，第二區段223係包括第三次區段2231及第四次區段2232，第三單粉螢光劑224係塗佈於第三次區段2231，以轉換第一波段光L1為第四波段光，
且第四單粉螢光劑225係塗佈於第四次區段2232，以轉換第一波段光L1為第五波段光，但不以此為限，由於第一波段光L1轉換為第四波段光及第一波段光L1轉換為第五波段光之概念與第2圖所示之第一波段光L1轉換為第二波段光L2及第一波段光L1轉換為第三波段光L3之概念相同，故於此省略繪出。此外，螢光劑裝置22係可再進一步包括第三區段226，以應用於與第一區段220及第二區段223分時出射各種色光，例如欲發出三原色光時，第三區段226係可包括透光材料227(如玻璃或壓克力等)，以使藍光直接穿透，並透過第一區段220及第二區段223分別激發並出射紅光及綠光，但亦不以此為限。
根據本案之構思，當本案之螢光劑裝置22應用於分時出射三原色光時，第一區段220、第二區段223及第三區段226之面積比例可為1比1比1，亦即於圓形之螢光劑色輪上對應之圓心角皆為120度；第一區段220之第一次區段2201與第二次區段2202之特定面積比例可為1比5，亦即於圓形之螢光劑色輪上對應之圓心角分別為20度及100度，且第二區段223之第三次區段2231與第四次區段2232之面積比例可為1比1，亦即於圓形之螢光劑色輪上對應之圓心角皆為60度，以透過第一區段220、第二區段223及第三區段226分別出射紅光、綠光及藍光等三原色光。當然，其他面積比例或對應之圓心角角度係可依需求配置、設計，其皆屬本案之教示範圍。
請參閱第5圖，其係為本案另一較佳實施例之螢光劑裝置結構示意圖。如第5圖所示，本案螢光劑裝置22之第一區段220之第一次區段2201及第二次區段2202皆可隨意分割而配置，並與前述實施例同以第一次區段2201及第二次區段2202之特定面積比例為1比5為較佳，然第一次區段2201及第二次區段2202實不限於連續之區段，亦即第一次區段2201及第二次區段2202皆可切割為不等之複數個部分區段，亦即第一次區段2201及第二次區段2202係可由不等之複數個部分區段構成，其僅需具有相同之總和特定面積比例，即可達到相同之出光效果。舉例而言，第一次區段2201可切割為對應圓形之螢光劑色輪之圓心角各為20度之三個部分，且第二次區段2202可切割為對應圓形之螢光劑色輪之圓心角分別為75度、75度及150度之三個部分，而仍可達成相同之出光效果，其作用原理與前述實施例相同，於此不再贅述。
請參閱第6A圖及第6B圖，其中第6A圖係為透過本案螢光劑裝置轉換出射之特定色光及傳統混粉方式產生之色光之強度-波長對應圖，以及第6B圖係為透過本案螢光劑裝置轉換出射之特定色光及傳統混粉方式產生之色光之亮度-波長對應圖。如第6A圖及第6B圖所示，傳統混粉方式所得出之色光於8瓦特(W)藍光雷射激發下之出光特性係為140.57流明/瓦(lm/W)且色座標為(0.474,0.497)；另一方面，以本案之螢光劑裝置轉換出射之特定色光同樣於8瓦特(W)藍光雷射激發下之出光特性係為176.37流明/瓦(lm/W)，不僅大幅提升整體出光亮度達25%，且與黃色單粉螢光劑及紅色單粉螢光劑直
接加總之理論值177.4流明/瓦(lm/W)相符(如表1所示)，可見本案確實可避免螢光劑間之級聯效應產生，不僅使得整體出光效率提高，亦使紅光出光頻譜顯著增加，進而可達到提高色域多樣性變化之功效。
綜上所述，本案提供一種螢光劑裝置及其所適用之光源系統，透過每一區段包括兩個以上次區段之設計，可有效避免級聯效應並提高轉換之出光效率及光色多樣性，同時達到提高出射色光之色彩飽和度及亮度等功效。此外，藉由將兩種以上之螢光劑分別塗佈於不同之次區段，可忽略螢光粉混合因素並簡化製程，進而降低製造難度及製造成本。
縱使本發明已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
22‧‧‧螢光劑裝置
220‧‧‧第一區段
2201‧‧‧第一次區段
2202‧‧‧第二次區段
221‧‧‧第一單粉螢光劑
222‧‧‧第二單粉螢光劑
Claims (10)
- 一種螢光劑裝置，適用於發出一第一波段光之一光源系統，該螢光劑裝置至少包括：一第一區段，包括n個次區段，其中n≧2；以及n個單粉螢光劑，其中包括一紅色單粉螢光劑及一黃色單粉螢光劑，分別塗佈於該n個次區段，以分別轉換該第一波段光為n個不同波段光，其中該n個波段光係包括第二波段光、第三波段光、...以及第n+1波段光；其中，該n個次區段係具有一特定面積比例，該第一波段光係因應該特定面積比例以一特定時間比例循環轉換為該第二波段光、該第三波段光、...以及該第n+1波段光，俾以該特定時間比例分時出射之該n個波段光整合為一特定色光。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光劑裝置，其中該n個次區段係為一第一次區段及一第二次區段，且該n個單粉螢光劑係為一第一單粉螢光劑及一第二單粉螢光劑，該第一單粉螢光劑係塗佈於該第一次區段，以轉換該第一波段光為一第二波段光，且該第二單粉螢光劑係塗佈於該第二次區段，以轉換該第一波段光為一第三波段光，其中該第一波段光係根據該特定時間比例循環轉換為該第二波段光及該第三波段光，俾以該特定時間比例分時出射之該第二波段光及該第三波段光整合為該特定色光。
- 如申請專利範圍第2項所述之螢光劑裝置，其中該第一波段光為藍光，該第二波段光係為紅光，且該第三波段光係為黃光。
- 如申請專利範圍第3項所述之螢光劑裝置，其中該第一波段光係由雷射光源所提供。
- 如申請專利範圍第3項所述之螢光劑裝置，其中該第一次區段及該第二次區段之該特定面積比例為1比5。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光劑裝置，其中該n個次區段分別係為單一區塊。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光劑裝置，其中至少該n個次區段的其中之一係為不連續之區塊。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光劑裝置，更包括一透光區段，以使該第一波段光直接穿透。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光劑裝置，更包括一第二區段，包括m個次區段，其中m≧2；以及m個單粉螢光劑，分別塗佈於該m個次區段，以分別轉換該第一波段光為m個波段光。
- 一種光源系統，至少包括：一固態發光元件，係架構於發出一第一波段光至一光路徑；一螢光劑裝置，設置於該光路徑上，至少包括：一第一區段，包括n個次區段，其中n≧2；以及n個單粉螢光劑，其中包括一紅色單粉螢光劑及一黃色單粉螢光劑，分別塗佈於該n個次區段，以分別轉換該第一波段光為n個不同波段光，其中該n個波段光係包括第二波段光、第三波段光、...以及第n+1波段光； 其中，該n個次區段係具有一特定面積比例，該第一波段光係因應該特定面積比例以一特定時間比例循環轉換為該第二波段光、該第三波段光、...以及該第n+1波段光，俾以該特定時間比例分時出射之該n個波段光整合為一特定色光。
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